antecedentes históricos pirometalurgia: conjunto de técnicas para la obtención de metales por...
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Antecedentes Históricos
Pirometalurgia: Conjunto de Técnicas para la obtención de metales por medio del uso del calor (Piros=Fuego).
Las Pirometalurgia es el más importante y más antiguo de los métodos extractivos de metales, utilizado por el hombre. Hace 8.000-10.000 años el hombre de las cavernas uso el fuego para obtener metales y de esta forma avizorar el término de la edad de piedra. El cobre fue el primer metal que conoció el hombre.
En las orillas del río Éufrates se erigió la civilización Sumeria, en el entorno de la ciudad de Ur 3.500 a 4.000 años A.C., obtenián cobre a partir de los yacimientos alrededor del lago Van en Armenia, también conocieron el estaño.
Posteriormente los Egipcios extrajeron cobre nativo y malaquita desde los yacimientos de las montañas al oriente del Mar Rojo alrededor de 2.800 años A.C. Chipre centro de comercio en esa misma era, también desarrollo yacimiento de cobre.
El conocimiento de técnicas de obtención de metales determinó el predominio sobre otras culturas menos avanzadas.
En América las más importantes civilizaciones originarias, desde los Mayas a los Incas, desarrollaron técnicas de fundición de metales para fabricar armas, herramientas y orfebrería.
Los primeros hornos de reverbero fueron construidos en la era medieval y fueron usados para fundir bronce usado para fabricar campanas de iglesias.
En 1556 Georgius Agrícola publica De Re Metallica. Se inician operaciones de Fundición Mansfeld (Alemania) y Swansea (Welsh, Gales).
En los siglos XVII y XVIII se registra un gran crecimiento de la tasa de producción de cobre, mejorada por una rápida eliminación de impurezas en el procesamiento del mineral.
En 1717 Talleres de Landore en Swansea existían 30 Hornos de Fusión para cobre, plomo y plata, además de una Refinería. En esa época: Disponibilidad de buen carbón en el distrito de Swansea llegando a ser el centro de esa industria. El carbón había sido utilizado desde 1688 en un nuevo método de fusión de minerales de cobre. Swansea, con su carbón y puertos fue el mayor centro en el mundo de fusión y refinación de cobre, hasta los finales del siglo XIX El proceso Welsh para la extracción y refinación de cobre, era prolongado y muy costoso. Permaneció sin cambio hasta mediados del siglo XIX.
En la actualidad la mayor parte del cobre refinado en el mundo es obtenido desde el mineral o sus concentrados mediante métodos pirometalúrgicos.
Antecedentes Históricos (.Cont)
En nuestro país el cobre se encuentra combinado con oxígeno y azufre, minerales oxidados y sulfurados, respectivamente.
Minerales Oxidados
Cuprita Cu2O Melaconita CuO
Minerales Sulfurados
Calcosina Cu2S Covelina CuS
Calcopirita CuFeS2 Bornita Cu5FeS4
En la región andina, aproximadamente 90 % de yacimientos corresponden a minerales sulfurados
RUTAS DE PRODUCCIÓN
PIROMETALURGIA : minerales sulfurados
HIDROMETALURGIA : minerales oxidados
Producción de Cobre
Minas
Lixiviación Concentración
Extracción por Solventes
Fundición
Refinación a Fuego
Refinación ElectrolíticaElectrobtención
Cátodos de Cobre
Alambrón, planchas y otros
Fabricación de bienes y productos
Usuarios finales
Reclicaje chatarra de cobre
Aleaciones
Procesos Pirometúrgicos
Vapor de Agua
Proceso Fundiciones de CobreConcentrados de
Cobre
8 –10 % agua
20-50 % cobre
20-38 % azufre
30-50 % fierro y otros
Cobre Anódico
99,7 %Cu
Cobre Blister
98-99 %Cu
Secado
Fusión
Conversión
Refino a Fuego y Moldeo de Anodos
Refinación
Electrolítica
Cátodos
99,99 %Cu
Planta Acido Sulfúrico
Gases de Proceso
Acido Sulfúrico
Tratamiento de Escorias
Escorias o Relaves Descarte
Fundición Paipote
Chuquicamata - CodelcoAltonorte - Xstrata
Potrerillos - CodelcoPaipote - Enami
Chagres - AngloamericanVentanas - CodelcoCaletones - Codelco
Fundiciones y Refinerías en Chile
Refinerías Electrolíticas
“QUÍMICAMENTE, el proceso de fusión - conversión representa una progresiva oxidación del hierro y del azufre contenidos en el concentrado”
“RAZÓN FUNDAMENTAL que posibilita la producción de cobre metálico mediante esta secuencia de procesos oxidantes es la mayor afinidad del hierro por el oxígeno, relativa a la del cobre”
FUNDAMENTOS
REACCIONES QUIMICAS
Disminuir la humedad de los concentrados de 8 - 10 % hasta 0.2 %.
Métodos modernos de fusión requieren de concentrados secos para reducir consumos energéticos y facilitar el transporte a los equipos de fusión.
SECADO DE CONCENTRADO
REACCIONES QUIMICAS
Descomposición de las fases sulfuradas, fusión y oxidación
parcial del hierro, azufre e impurezas a temperaturas sobre 1000ºC, formando tres fases diferentes:
FUSIÓN PRIMARIA
REACCIONES QUIMICAS
• Eje o mata • Escoria • Gases (incluido arrastre de polvos)
Eje = 45 - 69 % Cu
Metal Blanco = 70 - 78 % Cu
MATA
REACCIONES QUIMICAS
SOLUCIÓN LÍQUIDA HOMOGÉNEA QUE SE COMPONE PRINCIPALMENTE DE LAS SIGUIENTES ESPECIES: Cu2S, FeS, Fe3O4, PbS, ZnS.
SOLUCIÓN LÍQUIDA QUE SE COMPONE DE LAS SIGUIENTES ESPECIES:
ESCORIA
REACCIONES QUIMICAS
Fe2SiO4, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, otros óxidos metálicos.
Contenido de Cu = 2 - 10 %
El contenido de SO2 en los gases puede variar entre 2 y 80 % según la
tecnología de fusión que se esté utilizando.
GASES
REACCIONES QUIMICAS
SE COMPONEN DE SO2, N2, O2, H2O, CO y
CO2
Conversión
El objetivo de la conversión es eliminar el hierro y el azufre del eje, para producir finalmente cobre metálico.
El proceso tradicional de conversión es discontinuo, autógeno y se divide en dos etapas: soplado a escoria y soplado a cobre.
En la actualidad los convertidores mayormente usados son los Convertidores Peirce Smith y Hoboken, los que en conjunto producen el 85% del cobre blister.
REACCIONES QUIMICAS
Proceso de Refinación a Fuego
OBJETIVO: Obtención de ánodos de calidad superficial y química adecuada para su posterior
electrorefinación.
ETAPAS: Oxidación del azufre y otras impurezas reducción del oxígeno generado por sobreoxidación del cobre
PRODUCTO FINAL: Cobre anódico (99.6 % de Cu, 10 - 100 ppm S y 500 - 2000 ppm de oxígeno)
REACCIONES QUIMICAS
Tratamiento de Escorias
El objetivo es la recuperación del cobre
presente en la escorias de fusión-conversión,
mediante el proceso de reducción de
magnetita formando un eje o mata y una
escoria de descarte
REACCIONES QUIMICAS
Reducción y Escorificación
Fe3O4 + C 3 FeO + CO
FeO + 1/2 SiO2 1/2 Fe2SiO4
Reducción de la magnetita
Sedimentación (separación de fases)
Las etapas del proceso son :
REACCIONES QUIMICAS
SECADO DIRECTO (secador rotatorio, spray, flash, lecho fluidizado) material húmedo entra en contacto directo con el medio de secado.
SECADO INDIRECTO (multicoil steam dryer) material húmedo no tiene contacto directo con el medio de secado.
Secado de concentrados
DESCRIPCION DE PROCESOS
Secado
El objetivo del secado es eliminar en la forma de vapor el agua contenida en los concentrados. La humedad de los concentrados normalmente varía en rango de 8-10%.
Se obtiene un apreciable ahorro de energía (combustibles) al extraer el agua a 100° C, en vez de calentarlos a la temperatura de salida de gases de equipos de fusión-conversión (1200-1250 °C).
El proceso se puede realizar con los siguientes equipos: Secador Rotatorio Secador de Lecho Fluidizado Secador Indirecto de Tubos de Vapor
Fusión de Concentrados
El objetivo de la fusión es llevar a estado líquido el concentrado de cobre sólido y producir en este estado la separación de fases: sulfuradas (eje) y oxidada (escoria).
El proceso se puede hacer de 3 formas: Calentamiento directo En baño (bath smelting) En llama (flash smelting)
De los hornos de Calentamiento directo el más usado fue el Horno Reverbero. Estos hornos están en clara declinación debido a su baja eficiencia térmica, alto consumo de energía y combustibles, sumado a altos niveles de emisión. Estos factores determinaron que en la actualidad hayan sido reemplazados por Hornos de fusión en baño o de fusión en llama.
FUSIÓN PRIMARIA:
Contop, Alemania
DESCRIPCION DE PROCESOS
FUSIÓN FLASH
Flash Inco, Canadá
Flash Outokumpu, Finlandia
FUSIÓN EN BAÑO
Noranda, Canadá
Convertidor Teniente, Chile
Isa smelt, Australia
Mitsubishi, Japon
FUSIÓN EN CICLÓN
HORNO FLASH OUTOKUMPU
Concentrado seco+ fundente
Aire enriquecido Gases + polvos
EJEESCORIA
..... . ..
. .
.. : ¨
TORRE DEREACCIÓN
TORRE DEGASES
CÁMARA DE DECANTACIÓN
DESCRIPCION DE PROCESOS
FUSION EN BAÑO CONVERTIDOR TENIENTE
CONCENTRADO HÚMEDOY FUNDENTE
GAS
MATA
TOBERAS(Concentrado seco,aire enriquecido)
METALBLANCO
ESCORIA
DESCRIPCION DE PROCESOS
FUSION EN BAÑO CONVERTIDOR TENIENTE
CONCENTRADO HÚMEDOY FUNDENTE
GAS
MATA
TOBERAS(Concentrado seco,aire enriquecido)
METALBLANCO
ESCORIA
DESCRIPCION DE PROCESOS
Conversión
• Convertidor Peirce-Smith • Convertidor Hoboken • Convertidor Mitsubishi • Convertidor Flash
DESCRIPCION DE PROCESOS
Convertidor Peirce-Smith
Fundente
Toberas
Distribuidor de aire
Aire deconversión
Boca
Motoreléctrico
DESCRIPCION DE PROCESOS
Convertidor Peirce Smith
METALBLANCO
SALIDA DE GASES
BOCA
AIRE+OXIGENO
CAMPANA
COBRE BLISTER
El Convertidor Peirce Smith es utilizado en la mayoría de las fundiciones del mundo. En Chile las 7 fundiciones utilizan CPS.
Su gran desventaja es su característica de operación batch que implica la generación de gases fugitivos en cada operación de carga de metal blanco y retiro de blister.
Refino a Fuego
El objetivo de la refinación a fuego consiste en eliminar el remanente de azufre y otras impurezas en el cobre blister, de tal forma que el cobre obtenido cumpla con las especificaciones de calidad química para refinación electrolítica.
Los equipos más utilizados son : Horno Basculante (cilíndrico). Horno Reverbero de refinación.
Dependiendo de la calidad del blister se pueden incorporar técnicas de agregado de fundentes para reducir la fijación de algunas impurezas.
Horno de Refino a Fuego
Quemador
Orificio sangrado
Toberas Boca
DESCRIPCION DE PROCESOS
Horno de Refinación a Fuego
TRATAMIENTO DE ESCORIAS
El objetivo del Tratamiento de Escoria es la reducción de la magnetita y de los óxidos de cobre. La reducción de la magnetita produce la disminución de la viscosidad de la escoria.
Al disminuir la viscosidad de la escoria el metal blanco atrapado mecánicamente decanta hacia el fondo del horno. El cobre oxidado es reducido y se incorpora a la fase metálica.
Horno Basculante para Limpieza de Escoria
Reductor
Fundente
Combustible
Toberas
Alimentación de escoria
Eje
Gases
Escoria Final
Aire
DESCRIPCION DE PROCESOS
Moldeo de Anodos
El objetivo del moldeo consiste obtener el ánodo con las características físicas y de peso requeridas por la refinería electrolítica .
Los equipos más utilizados son : Ruedas de carrusel simple. Ruedas Twin o gemelas.
Ruedas de Moldeo
Rueda Simple
Rueda Twin
Refinación Electrolítica
El objetivo de la refinación electrolítica consiste obtener cobre con pureza de 99,99% en la forma de cátodos. Los cátodos constituyen la materia prima de materiales para fabricación de alambrón, planchas y otros.
Se obtiene un barro anódico que contiene el oro y plata así como impurezas como arsénico, antimonio, teluro y otros. Estos barros son procesados por técnicas hidrometalúrgicas y de fundición para la obtención de metal doré.
Los principales tecnologías se clasifican según el tipo de hoja madre: Hoja madre de cobre. Cátodo permanente, acero inoxidable y otros materiales.
Refinación Electrolítica
+-
Cu++
Electrolito
Ánodo
Hoja madre
+-
Cu++
Barro Anódico
Scrap
Cátodo
• Uso de mayores intensidades de corriente.
• Automatización de las operaciones.